[發(fā)明專利]基于太赫茲量子器件的斷層掃描成像系統(tǒng)及方法

無效

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• 申請日: 2012-07-11
• 公開（公告）號: CN102749341A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹俊誠;周濤;譚智勇;張戎;郭旭光
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: G01N23/04
• 分類號: G01N23/04;G01N23/00
• 代理公司: 上海泰能知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 31233
• 代理人: 宋纓;孫健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太赫茲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于太赫茲量子器件的斷層掃描成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

目前斷層掃描技術(shù)主要采用X射線等高能量穿透性強(qiáng)的射線，技術(shù)固然成熟，但是由于射線能量高，所以對人體和環(huán)境的損害很大，使用具有較大副作用和危險性，而太赫茲波（簡稱“THz波”）頻率比X射線低很多，能量不足以電離生物分子，所以在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，同時THz波還能夠穿透高強(qiáng)度聚乙烯/聚丙烯等非極性材料。基于以上特性，THz波的斷層掃描技術(shù)就可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和隱藏物體安檢等領(lǐng)域，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價值。

太赫茲量子級聯(lián)激光器（簡稱“THz?QCL”）作為THz源具有功率高（～10mW），體積小，易集成等突出特點(diǎn)，如果選擇脈沖工作模式則工作溫度可提高至100K以上，完全達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。太赫茲量子阱探測器（簡稱“THz?QWP”）是一種與THz?QCL工作頻率范圍非常匹配的低維半導(dǎo)體探測器，器件對可探測范圍內(nèi)的THz光的響應(yīng)速率可達(dá)GHz量級（ns量級），非常適合在脈沖激射型THz?QCL為輻射源的成像系統(tǒng)中作為THz光的檢測器，同時在高靈敏度和高分辨率探測尤其是在焦平面陣列制備方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。此外THz?QWP是一種重要的窄帶探測器，與其他寬帶探測器相比具有很好的光譜分辨能力，無論是在連續(xù)THz輻射源還是脈沖THz輻射源情況下，器件均具有很好的濾光功能，可有效消除噪聲信號的干擾，提高成像質(zhì)量。目前，基于GaAs/AlGaAs材料體系的量子阱探測器主要有光電導(dǎo)型和光伏型兩種，已報道的THz波段的量子阱探測器多屬于光電導(dǎo)型。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于太赫茲量子器件的斷層掃描成像系統(tǒng)及方法，能夠有效獲取樣品斷層的圖像信息。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種基于太赫茲量子器件的斷層掃描成像系統(tǒng)，包括太赫茲源部分、傳輸匯聚光路系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)平行掃描臺以及太赫茲信號檢測部分，所述太赫茲源部分包括太赫茲量子級聯(lián)激光器、與所述太赫茲量子級聯(lián)激光器相連的驅(qū)動電源、以及斬波扇；所述傳輸匯聚光路系統(tǒng)包括第一離軸拋面鏡組和第二離軸拋面鏡組；所述太赫茲信號檢測部分包括太赫茲量子阱探測器、與太赫茲量子阱探測器相連的信號處理模塊以及鎖相放大器，所述信號處理模塊和鎖相放大器分別與計(jì)算機(jī)相連；所述太赫茲量子級聯(lián)激光器發(fā)出的太赫茲波經(jīng)過聚乙烯窗片射出；所述斬波扇直接位于聚乙烯窗片外對出射的太赫茲波進(jìn)行調(diào)制；所述第一離軸拋面鏡組將經(jīng)過斬波扇發(fā)散的太赫茲波匯聚成平行光束傳輸至位于旋轉(zhuǎn)平行掃描臺上的樣品，經(jīng)過樣品透射后的太赫茲波經(jīng)過第二離軸拋面鏡組收集匯聚，再經(jīng)過聚乙烯窗片到所述太赫茲量子阱探測器；所述太赫茲量子阱探測器收到太赫茲波后產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號；所述信號處理模塊將所述電流信號提取為電壓信號，并進(jìn)行放大；所述鎖相放大器對電路輸入的電壓信號進(jìn)行讀取和顯示；所述計(jì)算機(jī)用于記錄所述鎖相放大器的電壓信號值，并將其與被測樣品的位置信息一一對應(yīng)，得到被測樣品的太赫茲信號透射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

所述旋轉(zhuǎn)平行掃描臺上的樣品中心位于第一離軸拋面鏡組和第二離軸拋面鏡組焦點(diǎn)處。

所述太赫茲量子級聯(lián)激光器發(fā)出的太赫茲波的頻率為2.9THz。

所述太赫茲量子阱探測器的探測頻率范圍為2.0-6.0THz。

所述太赫茲量子阱探測器的峰值探測頻率為3.22THz。

所述太赫茲量子阱探測器的有源區(qū)包括23個周期結(jié)構(gòu)，每個周期結(jié)構(gòu)內(nèi)包含交替生長的GaAs層和Al_0.015Ga_0.985As層各一層。

所述信號處理模塊包括依次連接的信號處理電路、低噪聲放大器及鎖相放大器；所述信號處理電路包括電壓放大器，供電電池和分壓電阻，所述供電電池、分壓電阻與太赫茲量子阱探測器串聯(lián)為閉合回路，并采用電壓放大器提取所述分壓電阻兩端的電壓。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：還提供一種基于太赫茲量子器件的斷層掃描成像系統(tǒng)的掃描成像方法，包括以下步驟：

（1）太赫茲量子級聯(lián)激光器發(fā)射出太赫茲信號，然后將信號采用斬波扇調(diào)制，并將調(diào)制后的信號由一組離軸拋面鏡匯聚，然后傳輸至樣品；

（2）所述傳輸匯聚光路系統(tǒng)將透射的太赫茲信號匯聚并傳輸至所述太赫茲量子阱探測器；

（3）所述太赫茲量子阱探測器將接收到的透射中的太赫茲波轉(zhuǎn)換為電信號并發(fā)送至所述信號處理模塊進(jìn)行處理；